植物表观遗传调节模式

关于植物表观遗传调节模式

经典遗传学认为，核酸是遗传的分子基础，生命的遗传信息储存在核酸的碱基序列。如人类基因组（genome）有20000多个基因，但在成人体内的200种左右细胞中每种细胞内都只有一部分特定基因会表达。通俗地说，每个个体内虽然所有细胞都含相同的遗传信息，但由于基因表达模式不同，这些本来由同一个受精卵分裂而成的细胞经过分化后成了具有不同功能和形态的细胞，从而组成了不同的组织和器官。这种DNA序列不发生改变的情况下，基因表达发生可遗传改变的现象，就被定义为表观遗传（epigenetic）现象。第2页,共45页，2024年2月25日，星期天

在经典遗传学创立几十年后，Waddington于1942年提出表观遗传学的概念，并将其定义为研究生物发育机制的学科。最初，人们认为表观遗传只是一种表型，但随着生命科学研究的发展，基因组学不能解释的问题越来越多，表观遗传学在这样的情况下不断发展。20世纪70年代中期，人们对表观遗传的理解开始变化，Holliday对其进行了系统表述，即现在广为接受的表观遗传学概念———研究非DNA序列变化所致的可遗传的基因表达变化。在分子生物学空前发展的形势下，表观遗传学也在分子水平上得到了更为系统的研究，人们不仅发现了多种表观遗传修饰方式，而且探究了其错综复杂的生物学作用。表观遗传学现已成为生命科学领域的研究热点之一，形成了独立的分支学科。第3页,共45页，2024年2月25日，星期天

表观遗传现象就是由环境因素引起的生物细胞内遗传物质变化的结果。在相当长一段时间内，表观遗传学的研究集中在甲基化（methylation）、小RNA（smallRNA）和染色质重塑（chromatinremodeling）等方面。此外，许多论文中描述了副突变（paramutation）、亲代印记（parentalimprinting）、性别相关的基因剂量补偿效应（genedosagecompensationeffect）和转基因沉默（transgenesilencing）等典型的表观遗传现象。第4页,共45页，2024年2月25日，星期天

表观遗传学的调节机制主要包括:

（1）DNA甲基化（DNAmethylation）；（2）组蛋白修饰（histonemodification）；（3）非编码RNA（noncodingRNA，ncRNA）作用等。

这些调节模式易受环境影响，因此表观遗传学更加关注环境诱导的表观遗传变异。第5页,共45页，2024年2月25日，星期天1表观遗传调节模式1.1DNA甲基化及其生理生化效应

DNA高度甲基化首先会影响DNA结构，进而阻遏基因转录，引起基因沉默。真核细胞内甲基化状态有3种：持续的低甲基化状态（如持家基因的甲基化）、诱导的去甲基化状态（如一些发育阶段特异性基因的修饰）和高度甲基化状态（X染色体的甲基化修饰）。

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DNA甲基化的具体反应过程是DNA甲基转移酶（DNAMethyltransferase，DNMT）将S-腺苷甲硫氨酸上的甲基转移到DNA双链中胞嘧啶的第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）。催化该反应的DNA甲基转移酶主要有4种：DNMT1、DNMT3A、DNMT3B和DNMT3L。在DNA复制完成后，DNMT1是催化甲基转移至新合成的DNA链上的甲基化位点反应中最主要的酶，这一现象称为维持甲基化（maintenancemethylation）；而DNMT3A和DNMT3B则负责催化核酸链上新的甲基化位点发生反应，称为形成甲基化（denovomethylation）。DNMT3L在DNA甲基转移酶家族中属于不具有甲基转移酶活性的调节酶，其主要作用是调节其他甲基转移酶的活性。第7页,共45页，2024年2月25日，星期天第8页,共45页，2024年2月25日，星期天

DNA甲基化主要发生在胞嘧啶和鸟苷酸（CpG）二核酸中的胞嘧啶（C）上，基因组中的CpG约有60%~90%会发生甲基化。在DNA双链中5‘-CpG-3’及其互补链中的3‘-GpC-5’中的C都会被甲基化，这些CpG是基因组中的维持甲基化位点。

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在结构基因的启动子或转录起始位点有大量未甲基化的CpG（在大约200bp碱基对中CpG含量超过60%），这些CpG簇被称为CpG岛（CpGisland）。如果CpG岛发生高甲基化，基因表达就会被完全抑制。DNA甲基化对基因表达影响的机制已经研究得较为透彻，甲基化会使DNA双链在三维结构上发生变化，阻滞甲基化敏感的转录因子（TFs，包括E2F、CREB、AP2、cMyc/Myn、NF-kB、cMyb和ETS等）的DNA结合活性。与此同时，甲基化不敏感的methyl-CpG结合蛋白（如Sp1、CTF和YY1等）会结合在DNA上，这些蛋白是转录抑制因子，它们都含有保守的甲基化DNA结合结构域（methylatedDNAbindingdomain，MBD）。DNA甲基化影响基因表达的方式如图所示，选择性地结合于甲基化DNA的特异转录抑制子MeCP2（methyl-CpGbindingprotein2），即甲基化CpG结合蛋白，与组蛋白去乙酰化酶（histonedeacetylase，HDAC）共存于一个复合物中。第10页,共45页，2024年2月25日，星期天第11页,共45页，2024年2月25日，星期天第12页,共45页，2024年2月25日，星期天第13页,共45页，2024年2月25日，星期天

DNA甲基化在生物体内有多方面的重要生理意义。正常的甲基化对于维持细胞的生长及代谢等是必需的，具体的体现如维持染色质结构、基因印记、X染色体失活、细胞分化和胚胎发育等。第14页,共45页，2024年2月25日，星期天1.2组蛋白修饰及其生理生化效应

由于被修饰，一些蛋白失去活性，一些蛋白获得活性，一些蛋白改变功能，因此蛋白修饰是功能蛋白质库的“扩增”因素。组蛋白修饰（histonemodifications）是表观遗传修饰的一种重要方式，具有特殊的生理生化功能。第15页,共45页，2024年2月25日，星期天

在细胞的生长状态下，DNA以染色质形式存在于细胞核当中。染色质的基本单位是核小体（nucleosome），核小体由145~147对DNA碱基缠绕在组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2个单位组成的八聚体核心周围而形成，每个核小体间由长度约为60bp的DNA连接，组蛋白H1就结合在这些接头DNA（linkerDNA）上。也就是说，染色质由DNA结合组蛋白形成的核小体串组成，组蛋白是染色质的基本结构蛋白。组蛋白折叠基序（foldingdomain）常位于C-端，参与组蛋白分子间互作并与DNA缠绕有关。组蛋白的另一个重要结构域称为组蛋白尾（histonetail），约占组全长的25%，常位于N-端（但在组蛋白H2A则处于C-端），可与DNA、调节蛋白、酶和其他染色质蛋白相互作用，大部分的组蛋白翻译后修饰都发生在这个结构域的第15~38个氨基酸残基上。另外，组蛋白尾在染色质组装和凝聚成高度有序结构的过程中发挥重要作用，而染色质的凝集程度会直接影响DNA复制、重组和转录。第16页,共45页，2024年2月25日，星期天组蛋白结构第17页,共45页，2024年2月25日，星期天

组蛋白表观遗传修饰方式有甲基化（methylation）、乙酰化（acetylation）、磷酸化（phosphorylation）、泛素化（ubiquitination）、SUMO化（sumoylation）、腺苷酸化（adenylation）、ADP-核糖基化（ADP-ribosylation）、生物素化（biotinylation）和脯氨酸异构化（prolineisomerization）等，这些修饰方式灵活地影响着染色质的结构与功能，既可以阻遏也可以促进基因的转录。参与组蛋白修饰的酶主要有组蛋白甲基转移酶（histonemethyltransferase，HMT）、组蛋白乙酰转移酶（histoneacetyltransferase，HAT）、组蛋白激酶（histonekinase）和组蛋白泛素化酶（histoneubiquitylase）等，这些酶是催化相应的基团结合到组蛋白氨基残基上所必需的酶。同时相应地，也有组蛋白去甲基化酶（histonedemethylase，HDM）、组蛋白脱乙酰基酶（histonedeacetylase，HDAC）、组蛋白磷酸酶（histonephosphatase）和组蛋白去泛素化酶（histonedeubiquitylase），这些酶可去除结合在组蛋白端氨基残基上的分子基团。第18页,共45页，2024年2月25日，星期天

组蛋白翻译后修饰类型多，且相互之间息息相关，彼此影响，形成一个错综复杂但井然有序的网络来影响基因的表达。组蛋白翻译后修饰影响基因表达的途径有3种：（1）改变其周围的环境（如电荷量和pH值等），增强或减弱转录因子或转录辅因子与DNA间的作用；

（2）直接改变染色质结构和凝集状态，进而影响蛋白间和蛋白与DNA间的相互作用；（3）作为信号影响下游蛋白，进而调控基因表达。例如组蛋白乙酰化，当乙酰基结合在组蛋白上时，就会中和后者的正电荷，这样组蛋白末端就能以比较弱的作用力结合在带负电荷的DNA链上，这种宽松的染色质结构便可以使特异转录因子等相关蛋白与DNA结合。第19页,共45页，2024年2月25日，星期天

组蛋白乙酰化和去乙酰化过程第20页,共45页，2024年2月25日，星期天

组蛋白甲基化通常发生在组蛋白H3和H4N-末端的精氨酸（Arg，R）和赖氨酸（Lys，K）残基上，另外组蛋白的球状结构域有时也会被甲基化。根据每一位点甲基化的程度不同，组蛋白甲基化形式可被分为单甲基化、二甲基化和三甲基化。基于甲基化位点和受作用基因的不同，组蛋白甲基化对基因表达的影响也不同。第21页,共45页，2024年2月25日，星期天

组蛋白去甲基化第22页,共45页，2024年2月25日，星期天

大量的研究证明组蛋白修饰是一个动态可逆的过程，基团的添加和去除就是由一系列的酶催化反应形成的。一般的组蛋白修饰需要一个或多个不同的共价修饰发生协同或拮抗作用，这些多样性修饰及它们时间和空间上的组合形成大量的特异信号，这些信号类似于密码并可被相应的调节蛋白识别，影响一系列蛋白质的活动，从而调控真核生物的基因表达，这就是“组蛋白密码假说”（histonecodehypothesis）。组蛋白密码的组合变化繁多，因此组蛋白共价修饰是精细、有序的基因表达和生理调控方式，研究清楚这样的过程不论在理论上还是在实践中都可能取得巨大的成果。第23页,共45页，2024年2月25日，星期天1.3非编码RNA及其生理生化作用在复杂的生物体内，基因表达受到很多因素影响。在高通量基因组水平的分析中，越来越多的证据表明非编码RNA在调控基因表达过程中发挥了很大作用。在所有输出的转录本中，编码蛋白的RNA数量不足1.5%，剩下的是非编码RNA（noncodingRNA，ncRNA）。根据长度分类，介导表观遗传修饰的ncRNA可分为longncRNA（lncRNA）和smallncRNA（sncRNA）。第24页,共45页，2024年2月25日，星期天

lncRNA指长度超过200nt的非编码RNA，其长度范围大概从50kb到几百kb，其序列不具保守性，且不与任何目的基因同源，通过顺式作用调节基因表达，使之沉默。目前认为lncRNA的来源途径主要有：

（1）蛋白编码基因受多种因素作用而断裂，形成lncRNA；（2）染色质重排中两分开区域紧密靠拢，形成lncRNA；（3）非编码基因转录形成lncRNA；（4）小非编码RNA中某段序列多次复制形成lncRNA；（5）转录因子中插入一段序列形成lncRNA等。这些lncRNAs虽不编码蛋白，但可调节表观遗传过程。第25页,共45页，2024年2月25日，星期天sncRNA长度通常小于30nt，包括micro-RNA（miRNA）、smallinterferingRNA（siRNA）和piwi-interactingRNA（piRNA）。sncRNA一般是在2个水平上对基因表达进行调控：①转录水平，被称为转录基因沉默（transcriptionalgenesilencing，TGS）；

②转录后水平，

即转录后基因沉默（post-TGS，PTGS）。

TGS抑制转录的发生是通过染色质修饰和异染色质化（heterochromatinization），而PTGS则通过降解mRNA或阻止mRNA翻译来影响RNA的翻译。总之，TGS和PTGS最终都是使基因沉默。sncRNA调控基因表达的机理相对于lncRNA来说简单而且单一，因为不论是TGS和PTGS，其作用机制都是sncRNA的序列与目的基因相匹配，两者配对、结合使基因不能发生转录，或mRNA不能发生翻译。第26页,共45页，2024年2月25日，星期天第27页,共45页，2024年2月25日，星期天2表观遗传调节的效应2.1基因组印记在一个基因或基因组域上发生双亲来源信息的生化标记的生物学现象，叫做基因组印记（genomicimprinting），或遗传印记、基因印记。所发生的“印记”可以是共价标记（如DNA甲基化），也可以是非共价标记（如DNA-蛋白质互作、DNARNA互作和核基因组定位等），印记方式与整个细胞周期中维持双亲表观记号的特定核内酶的作用有关。基因组印记使得基因依亲代的不同而有不同的表达，还可能导致细胞中两个等位基因的一个表达而（不同亲源的）另一个不表达。第28页,共45页，2024年2月25日，星期天2.2母性效应母性效应（maternaleffect），或称母性影响，是指子代某一性状的表型由母体核基因型决定，而不受本身基因型支配。有名的例子是椎实螺（pondsnail）的螺壳，有左旋和右旋之分，旋转方向的遗传符合母性效应。

母性效应常与印记效应相关，研究表明相关基因的差异性甲基化、磷酸化以及选择性的蛋白互作与母性效应的形成和维持有很大关系。第29页,共45页，2024年2月25日，星期天2.3基因沉默基因沉默（genesilencing）也称基因沉寂，是真核生物细胞基因表达调节的重要手段之一。基因沉默常缘于异染色质（heterochromatin）形成，被沉默的基因区段高度浓缩。受控于ncRNA的RNAi（RNA干扰）与转录后基因沉默在分子层次上实际是同一现象。基因沉默的反应过程包括组蛋白N-端赖氨酸残基的去乙酰基化、甲基化修饰、以及甲基化组蛋白与其结合蛋白（MBP）诱发异染色质形成等。第30页,共45页，2024年2月25日，星期天

基因沉默一方面是遗传修饰生物实用化、商品化的障碍，另一方面也是生物抗逆性（如植物抗病毒）的重要反应，为植物工程育种等提供了策略（例如RNA介导病毒抗性技术的发展）。第31页,共45页，2024年2月25日，星期天2.4核仁显性核仁显性（nucleolardominance）指在动植物杂合体中，核糖体位点基因受到抑制，使染色体遗传自父母中的一方，而表现出的显性效应。其机理是，来自父或母方的RNA聚合酶I在核糖体RNA（rRNA）基因转录过程中呈现出可逆的沉默。由于rRNA基因跨越数百万bp，成簇存在于核仁组织区，不难理解核仁显性是染色体沉默中的一种主要机制，本质上是rRNA染色质因化学修饰而沉默的结果，但具体机制并没有定论。由于核仁显型，杂交动植物中整组亲代rRNA基因可能被关闭。第32页,共45页，2024年2月25日，星期天2.5表观遗传修饰的其他效应

染色质重塑（chromosomeremodeling）：核小体在真核细胞DNA上重新定位的过程，引起染色质变化，与组蛋白修饰和核小体结构改变有关；

副突变（paramutation）：是指一个等位基因可以使其同源基因的转录产生稳定可遗传变化的途径，涉及配子与合子之间的RNA转移；

RNA编辑（RNAediting）：基因转录产生的mRNA分子中，因核苷酸缺失、插入或置换，而造成转录物序列不与基因编码序列互补，产生不同于基因编码信息的蛋白质氨基酸组成的现象；

休眠转座子激活（dormanttransposonactivation）：转座子重新进行转座，使插入位点失活。也是研究较多的表观遗传修饰效应。第33页,共45页，2024年2月25日，星期天3植物表观遗传学研究在一定范围内，植物表观遗传学的相关进展相当突出。表观遗传学的一些重要现象，如转基因沉默、副突变等最初就是在植物体系中发现的。植物表观遗传学也有一些独特之处，如DNA甲基化的种类和调控DNA甲基化的酶类等。植物表观遗传学特异性现象和机制的揭示是理解表观遗传学全貌的重要内容。第34页,共45页，2024年2月25日，星期天3.1植物转基因沉默目前许多种转基因植物已经问世，有的已经用于农业生产，但所转入的目的基因沉默而不表达，或不稳定、不完全表达已经成为植物遗传改良的突出障碍；沉默基因的消除是一个重要的课题。转基因沉默就是转基因失活，指的是当把外源基因导入生物体内时，相应序列内源基因被抑制而不能表达的基因调控现象。转基因沉默属于同源性决定的或重复序列诱导的基因失活。此时，其他基因并不受影响；沉默基因恢复表达活性的时机是所转入外源基因与内源同源基因重组分离或减数分裂分离之后。

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植物转基因沉默发现于1990年，研究人员在将查尔酮合成酶（chalconesynthase）基因向紫色矮牵牛（Petunia）中转移时，发现外源基因与内源同源查尔酮合成酶基因一起发生了抑制（共抑制，co-suppression）。后来，人们发现植物受病毒侵染也会造成基因沉默，与上述转基因沉默一样属于转录后基因沉默（post-transcriptiongenesilencing，PTGS）。第36页,共45页，2024年2月25日，星期天

20世纪末到21世纪初的大量研究成果随转基因沉默的发现而产生。人们在反义基因诱导果蝇（Drosophila）pal-1基因沉默的研究中发现了双链RNA（dsRNA）可致基因沉默，随即又在线虫（Caenorhabditiselegans）中发现dsRNA比单链的反义RNA（antisenseRNA）能更有效诱导基因失活，于是产生了RNA干扰（RNAinterference，RNAi；即RNA介导的基因沉默）的概念：这是一种PTGS式的基因调节模式，其中非编码dsRNA分子（小干扰RNA,smallinterferingRNA，siRNA)介导靶mRNA的序列特异性降解。siRNAs是21~23个核苷酸的dsRNA，含有对称的2~3个核苷酸的3'突出末端，并有5'和3'羟基端。第37页,共45页，2024年2月25日，星期天siRNA的结构第38页,共45页，2024年2月25日，星期天

发生RNAi时，长的dsRNA分子被Dicer酶裂解，产生siRNA。随即，siRNA分子掺入一个多蛋白因子的RNA诱导沉默复合体（multiproteinRNA-inducingsilencingcomplex，RISC）中；dsRNA解链，其中的反义链（anti-sensestrand）引导RISC到互补的mRNA上，执行后续的核酸内切裂解反应（endonucleolyticcleavage）。第39页,共45页，2024年2月25日，星期天

植物的转基因沉默可以发生在DNA水平（位置效应，positioneffect）、转录水平（转录失活，transcriptioninactivation）和转录后水平（转录后基因沉默，PTGS）。由于所转入的外源基因向宿主基因组的插入具有随机性，若插入到转录不活跃区，就会发生位置效应所致基因低表达或不表达。在染色质中，两个核基质结合区（nuclearmatrixattachmentregion，MAR）间的基因片段被界定成一个独立的染色质环，作为隔离子（insulator）阻止附近顺式调控元件对环内基因表达的干扰。当转基因在受体基因组内整合后，有可能在MAR作用下形成环形结构单元。这可以解释DNA水平转基因沉默的成因及提高转基因表达水平的机理。第40页,共45页，2024年2月25日，星期天

转基因所形成的DNA异位配对可造成异染色质化或从头甲基化，进而抑制转录，这一效应也可由DNA-RNA协同作用造成。这就诱发了转录水平的基因沉默。甲基化是活细胞中最常见的DNA共价修饰形式，通常发生于GC和GNC序列的C上，几乎所有植物转基因沉默都与启动子甲基化有关；GC和GNC序列的C上的甲基化虽不是转录水平的转基因沉默的前提，但却是维持这种沉默的必要方式。另外，多拷贝重复基因在宿主基因组内的整合，形成异位配对，引起基因组防